JP2002357490A - 圧電歪みセンサとこの製造方法及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

圧電歪みセンサとこの製造方法及びそれを用いた電子機器

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JP2002357490A
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piezoelectric
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Taiji Goto
Seiichi Minami
誠一 南
泰司 後藤
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Matsushita Electric Ind Co Ltd
松下電器産業株式会社
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 第1及び第2の電極間付近の圧電セラミック
の分極方向に起因する縦振動モードの影響を抑制し、被
検知物の歪みを高精度に検知できる圧電歪みセンサとこ
の製造方法及びそれを用いた電子機器を提供することを
目的とする。 【解決手段】 圧電セラミック11と、この圧電セラミ
ック11の表面に設けた第1の電極12aと、圧電セラ
ミック11の表面から裏面に至るように設けた第2の電
極12bとを備え、第1の電極12aと第2の電極12
bの間の圧電セラミック11には溝13を有するもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電現象を利用した
微小な歪みを検知する圧電歪みセンサとこの製造方法及
びそれを用いた電子機器に関するものである。

【0002】

【従来の技術】従来の圧電部品及びその製造方法は、特
許第3163636号公報に記載されているものが知ら
れている。図7は従来の圧電部品の断面図、図8は同要
部拡大断面図である。図7、図8において1はチタン酸
ジルコン酸鉛系(以下PZT系とする)の圧電セラミッ
ク、2a,2bは銅等を用いて圧電セラミック1の表裏
面及び側面に設けた第1、第2の電極である。

【0003】この圧電部品の製造方法について説明す
る。

【0004】まず板状の圧電セラミック1の表面全体に
めっきにより金属層を形成する。次に第1及び第2の電
極2a,2bとなる金属層の表面に保護膜を形成した後
エッチング処理を行うことにより不要な金属層を除去す
る。次いで保護膜を除去し、第1の電極2a及び第2の
電極2bを得る。その後得られた第1の電極2aと第2
の電極2b間に電圧を印加して分極処理を行って圧電部
品を得る。

【0005】この分極処理により、図8にて矢印で示す
ように第1の電極2aと第2の電極2bが対向している
部分の圧電セラミック1では、圧電セラミック1の表面
に対し垂直な方向に分極される。また圧電セラミック1
の表面で第1の電極2a、第2の電極2bが対向してい
る領域、即ちエッチングにより第1の電極2a、第2の
電極2b間の圧電セラミック1が露出している領域付近
では、分極方向が圧電セラミック1の表面で平行に、内
部では放射状になる。

【0006】この構成の圧電部品を例えば歪みセンサと
して用いる場合について説明する。

【0007】圧電部品の表面を被検知物に接着剤などで
固定し、被検知物に発生した面方向の収縮歪みと同じ収
縮歪みが圧電部品にも発生するようにする。圧電部品で
はこの発生した収縮歪みを横振動モードとして検知す
る。

【0008】

【発明が解決しようとする課題】この構成によると、第
1の電極2a、第2の電極2b間の圧電セラミック1が
露出している付近では、分極方向が圧電セラミック1の
表面に垂直ではないため、対象物の一方向の伸縮歪みを
横振動モードと縦振動モードの2つのモードで検知する
こととなる。この圧電歪みセンサは、横振動モードで検
知することにより、被検知物の収縮歪みを測定するもの
であるのにもかかわらず、縦振動モードでも検知してし
まうため、被検知物の収縮歪みを高精度に検知できない
という問題点を有していた。

【0009】本発明は第1及び第2の電極間付近の圧電
セラミックの分極方向に起因する縦振動モードの影響を
抑制し、被検知物の歪みを高精度に検知できる圧電歪み
センサとこの製造方法及びそれを用いた電子機器を提供
することを目的とするものである。

【0010】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、以下の構成を有するものである。

【0011】本発明の請求項1に記載の発明は、特に、
第1の電極と第2の電極の間の圧電セラミックに溝を設
けたものであり、これにより、分極方向が前記圧電セラ
ミックの表面に垂直でない方向の領域の形成は抑制さ
れ、縦振動モードによる歪み検知を抑制し、高精度に被
検知物の歪みを検知できる圧電歪みセンサを得ることが
できる。

【0012】本発明の請求項2に記載の発明は、特に、
第1の電極及び第2の電極の表面を平坦とするものであ
り、これにより被検知物に接着剤等を用いて圧電歪みセ
ンサを固定する場合、前記圧電歪みセンサの一部への応
力集中を防止でき、その結果電極表面の凹凸に起因する
前記圧電歪みセンサの破損を抑制することができる。

【0013】本発明の請求項3に記載の発明は、特に、
溝の幅を圧電セラミックの厚みより大きくしたものであ
り、これにより分極工程において、前記圧電セラミック
の厚み方向に発生する電界強度より前記溝を介して発生
する第1と第2の電極間の電界強度を小さくすることが
でき、またさらに沿面距離も長くなるため、分極時のリ
ークなどを防止することができる。

【0014】本発明の請求項4に記載の発明は、特に、
圧電セラミックの表裏面において、溝不形成部の全体に
第1の電極及び第2の電極を設けたものであり、これに
より、最も効率的に静電容量を有することができ、その
結果検知する振動モードの範囲を大きくすることができ
る。

【0015】本発明の請求項5に記載の発明は、特に、
第1及び第2の電極と溝を圧電セラミックの表面に設け
た金属層の一部及びその下方の圧電セラミックを機械的
に切削することにより形成するものであり、これにより
圧電歪みセンサの性能を低下させることなく溝を形成す
ることが可能になり、分極方向が前記圧電セラミックの
表面に垂直でない方向の領域が小さくなるので、縦振動
モードによる歪み検知を抑制し、高精度に被検知物の歪
みを検知できる圧電歪みセンサを得ることができる。

【0016】本発明の請求項6記載の発明は、特に、圧
電セラミックの表面に第1の電極を、表面から裏面に至
る第2の電極を有し、圧電セラミックの表面において第
1の電極と第2の電極の間の圧電セラミックに溝を有す
る圧電歪みセンサの表面あるいは裏面を被検知物に固定
したものであり、これにより分極方向が前記圧電セラミ
ックの表面に垂直でない方向の領域の形成は抑制され、
縦振動モードによる歪み検知を抑制し、高精度に被検知
物の歪みを検知できる。

【0017】

【発明の実施の形態】(実施の形態1)以下実施の形態
1を用いて、本発明の請求項1から5に記載の発明につ
いて説明する。

【0018】図1は本発明の一実施の形態における圧電
歪みセンサの斜視図、図2は図1のA−B断面図であ
る。

【0019】図において11は圧電セラミック、12a
は第1の電極、12bは第2の電極、13は溝を示す。

【0020】また図3は図2の溝13付近の拡大図であ
り、矢印は分極軸を示している。

【0021】以上のように構成された圧電歪みセンサに
ついて、以下にその製造方法を説明する。

【0022】まず、第1の工程として、平均粒径1μm
程度に粉砕したPZT(PbTiZrO3)を主成分と
した圧電セラミックス粉体に有機結合材を溶かした水を
加え、乳鉢で混練しながら造粒を行い、その後メッシュ
パスをして整流し、造粒粉を得る。得られた造粒粉と金
型を用いて100MPa程度の圧力で成形し、ブロック
状の成形体を得る。得られた成形体を一度500℃程度
の温度で熱処理し、成形体の有機成分を熱分解(脱脂)
し、その後850℃〜1300℃の温度で本焼成を実施
する。得られた焼結体ブロックを厚み0.3mm程度に
ワイヤーソーなどを用いてスライスし、ダイシングマシ
ンなどを用いて所定の寸法に長さ、幅方向を切断する。

【0023】第2の工程として、精密平面研磨機を用い
て厚み0.10mmになるまで加工し薄板状の圧電セラ
ミック11を得る。

【0024】第3の工程として、圧電セラミック11を
触媒溶液に浸漬処理する。この浸漬処理はまず塩化第1
錫溶液に浸漬した後、塩化パラジウム溶液に浸漬する。
これにより、触媒溶液の塩化第1錫、塩化パラジウムの
一部が圧電セラミック11の表面に付着することとな
る。

【0025】第4工程として、圧電セラミック11をニ
ッケルメッキ溶液に浸漬して無電解メッキを行い、圧電
セラミック11の表面に第1及び第2の電極12a,1
2bとなるニッケル薄膜を形成する。

【0026】第5の工程として、メッキにより形成され
た電極の強度を向上するため200℃程度の温度で熱処
理を行う。

【0027】第6の工程として、ダイシングマシンを用
いて圧電セラミック11の一方の端部側にニッケル薄膜
及びこのニッケル薄膜下部の圧電セラミック11を切削
することにより溝13を形成し、他方の端部を切断す
る。

【0028】この溝13により、ニッケル薄膜が二つに
分割され、表面が平坦な第1及び第2の電極12a,1
2bが形成される。またこの溝13の形成部以外の圧電
セラミック11の表裏面全体が第1及び第2の電極12
a,12bで覆われている。さらに溝13の幅は、圧電
セラミック11の厚みよりも大きくする。

【0029】第7の工程として、機械加工で得られた第
1の電極12aと第2の電極12b間に、100℃程度
のシリコンオイル中で圧電セラミック11の厚み1mm
当たり2〜4kVの電圧を20〜30分程度印加し、圧
電セラミック11の厚み方向に飽和分極処理を行う。

【0030】第8の工程として、この圧電セラミック1
1をダイシングマシンなどで幅方向に切断し、図1、図
2に示すような圧電歪みセンサを得る。

【0031】以上のように本実施の形態1における圧電
歪みセンサは、第1及び第2の電極12a,12bの圧
電セラミック11の表面に溝13を設けることにより、
分極方向が前記圧電セラミック11の表面に垂直でない
方向の領域が小さくなるので、縦振動モードによる歪み
検知を抑制し、高精度に被検知物の歪みを検知できる圧
電歪みセンサを得ることができる。

【0032】また第1の電極12a及び第2の電極12
bをメッキにより設けることにより、印刷等に比べて電
極表面が平坦になる。従って被検知物に接着剤等を用い
て圧電歪みセンサを固定する場合に圧電歪みセンサの一
部に応力が集中することを防止でき、その結果第1及び
第2の電極12a,12bの表面の凹凸に起因する圧電
歪みセンサの破損を抑制することができるという効果も
奏する。

【0033】また特に溝13の幅を圧電セラミック11
の厚みより大きくすることにより、分極工程において、
圧電セラミック11の厚み方向に発生する電界強度よ
り、溝13を介して発生する第1の電極12aと第2の
電極12b間の電界強度を小さくすることができ、また
さらに沿面距離も長くなるため、分極時のリークなどを
防止することができるという効果も奏する。

【0034】また特に圧電セラミック11の表裏面にお
いて、溝13の不形成部の全体に第1の電極12a及び
第2の電極12bを設けることにより、最も効率的に静
電容量を有することができ、その結果検知できる振動モ
ードの範囲も大きくすることができるという効果も奏す
る。

【0035】また圧電セラミック11の表面をメッキし
て金属層を形成し、その後エッチング処理を行うことに
より不要な金属層を除去して、第1及び第2の電極を得
る従来の製造方法では、圧電セラミックの表面に付着し
た触媒溶液中の塩化第1錫、塩化パラジウムが十分除去
できない場合があるが、機械的な切削で圧電セラミック
11まで切削することにより、圧電セラミック11の表
面に付着した触媒溶液中の塩化第1錫、塩化パラジウム
を確実に除去することができ、その結果、圧電セラミッ
ク11の表面の前記第1の電極12aと前記第2の電極
12b間の絶縁に対する信頼性が向上するという効果も
奏する。

【0036】尚本実施の形態1において、電極形成はニ
ッケルメッキによるものを説明したが、他の金属でも良
い。

【0037】(実施の形態2)以下実施の形態2を用い
て、本発明の請求項6に記載の発明について説明する。
ここでは特に実施の形態1との差のみ記載する。

【0038】図4、図5、図6は本発明の実施の形態2
における三種類の電子機器の断面図を示し、図において
14は被検知物、15はリード線を示す。

【0039】以上のように構成された各電子機器につい
て以下にその製造方法を説明する。

【0040】例えば被検知物14の圧電歪みセンサが取
付けられる部分が導電性で無い場合、図4に示すように
第2の電極12bを形成した圧電セラミック11の裏面
が被検知物14に接するように図中には省略しているが
例えばエポキシ系接着剤等を薄く塗布して取付ける。こ
の場合圧電セラミック11の表面または側面の第1の電
極12a及び第2の電極12bに例えばリード線15を
半田付けして外部回路と電気的接続が取れるようにす
る。

【0041】また、被検知物14の圧電歪みセンサが取
付けられる部分に例えば第1及び第2の電極12a,1
2bに対応する金属配線パターンがある場合、図5に示
すように溝13のある圧電セラミック11の表面を被検
知物14側にして、図中には省略しているが例えばエポ
キシ系接着剤等を薄く塗布して電気的接続がとれるよう
に接着する。この場合、被検知物14の金属配線パター
ンを介して圧電歪みセンサと外部回路との電気的接続を
とる。

【0042】また、被検知物14の圧電歪みセンサが取
付けられる部分が例えば金属板のように導電性ではある
が、第1及び第2の電極12a,12bに対応する金属
配線パターンが存在しない場合、図6に示すように圧電
セラミック11の裏面を被検知物14に図中には省略し
ているが例えばエポキシ系接着剤等を薄く塗布して第2
の電極12bと被検知物14との電気的接続がとれるよ
うに接着する。この場合第1の電極12aには例えばリ
ード線15を半田付けし、被検知物14とリード線15
を介して圧電歪みセンサと外部回路との電気的接続をと
る。

【0043】さらに図4〜図6のいずれの場合も、被検
知物14と圧電歪みセンサとの接着の信頼性を向上する
ため、取付け後に圧電歪みセンサ全体をさらに接着剤で
覆うように固定することで接着の信頼性を向上させるこ
とができる。

【0044】以上のように本実施の形態2における電子
機器は、圧電歪みセンサの電極形成面を被検知物14の
表面に取付けた電子機器であり、圧電歪みセンサとして
圧電セラミック11と、この圧電セラミック11の表面
に設けた第1の電極12aと、圧電セラミック11の表
面から裏面に至るように設けた第2の電極12bと、圧
電セラミック11の表面において第1の電極12aと第
2の電極12bの間の圧電セラミック11に溝を有する
ものである。これにより圧電セラミック11の表面に垂
直でない方向に分極された圧電セラミック11の領域を
減少させることにより、不要振動モードである縦振動モ
ードの影響を抑制し、高精度に被検知物14の歪みを検
知することができる。

【0045】

【発明の効果】以上のように本発明は、圧電セラミック
と、この圧電セラミックの表面に設けた第1の電極と、
前記圧電セラミックの表面から裏面に至るように設けた
第2の電極とを備え、前記第1の電極と前記第2の電極
の間の前記圧電セラミックには溝を有する圧電歪みセン
サであり、分極方向が前記圧電セラミックの表面に垂直
でない方向の領域の形成は抑制され、縦振動モードによ
る歪み検知を抑制し、高精度に被検知物の歪みを検知で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の実施の形態1における圧電歪みセンサ
の斜視図

【図2】図1に示す圧電歪みセンサのA−B間の断面図

【図3】図2に示す圧電歪みセンサの溝部分の拡大図

【図4】本発明の実施の形態2における圧電歪みセンサ
を用いた電子機器の要部の断面図

【図5】本発明の実施の形態2における圧電歪みセンサ
を用いた電子機器の要部の断面図

【図6】本発明の実施の形態2における圧電歪みセンサ
を用いた電子機器の要部の断面図

【図7】従来の圧電部品の断面図

【図8】図7に示す圧電部品の要部の拡大断面図

【符号の説明】

11 圧電セラミック 12a 第1の電極 12b 第2の電極 13 溝 14 被検知物 15 リード線

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電セラミックと、この圧電セラミック
    の表面に設けた第1の電極と、前記圧電セラミックの表
    面から裏面に至るように設けた第2の電極とを備え、前
    記第1の電極と前記第2の電極の間の前記圧電セラミッ
    クには溝を有する圧電歪みセンサ。
  2. 【請求項2】 第1の電極及び第2の電極の表面は平坦
    である請求項1に記載の圧電歪みセンサ。
  3. 【請求項3】 溝の幅は圧電セラミックの厚みより大き
    くした請求項1に記載の圧電歪みセンサ。
  4. 【請求項4】 圧電セラミックの表裏面において、溝不
    形成部の全体に第1の電極及び第2の電極を設けた請求
    項1に記載の圧電歪みセンサ。
  5. 【請求項5】 圧電セラミックの表面から裏面に至るよ
    うに金属層を形成し、次に前記圧電セラミックの表面の
    金属層及びこの金属層の下方の圧電セラミックの一部を
    機械的に切削することにより、表面の第1の電極と表面
    から裏面に至る第2の電極を形成する第2の工程とを備
    えた圧電歪みセンサの製造方法。
  6. 【請求項6】 被検知物と、この被検知物の表面に設け
    た圧電歪みセンサとを備え、前記圧電歪みセンサは、圧
    電セラミックと、この圧電セラミックの表面に設けた第
    1の電極と、前記圧電セラミックの表面から裏面に至る
    ように設けた第2の電極と、前記第1の電極と前記第2
    の電極の間の前記圧電セラミックに溝を有するものであ
    り、前記圧電セラミックの表面あるいは裏面を前記被検
    知物に固定した電子機器。
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